(57)【要約】  【課題】繊維状ナノ炭素材料を水素吸蔵物質として用いる水素貯蔵装置において、水素ガス放出時の繊維状ナノ炭素材料の流出を抑制する。    【解決手段】開口部を有するＮ枚の仕切板によって容器をＮ＋１室の小室に仕切り、該仕切板を水素ガス放出時における重力方向に対して前記開口部が最下部に位置するように傾斜して取り付け、かつ前記小室が水素ガス放出時において屈曲した流路を形成するように構成する。【選択図】図１                                               
2005147280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ炭素材料を容器に充填した水素貯蔵装置であって、前記容器は、開口部を有するＮ枚の仕切板によってＮ＋１室の小室に仕切られており、前記仕切板の開口部において相互に連絡する前記小室が、水素ガス放出時において屈曲した流路を形成することを特徴とする水素貯蔵装置。
【請求項２】
前記仕切板は、水素ガス放出時における重力方向に対して前記開口部が最下部に位置するように傾斜して取り付けられ、かつ前記ナノ炭素材料は、水素ガス放出時における重力方向に対して最下部の小室に充填されている請求項１に記載の水素貯蔵装置。
【請求項３】
前記容器が振動発生装置を備えるものである請求項２に記載の水素貯蔵装置。
【請求項４】
前記ナノ炭素材料がフッ素化ナノ炭素材料である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の水素貯蔵装置。
【請求項５】
前記フッ素化ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項４に記載の水素貯蔵装置。
【請求項６】
前記容器および仕切板がアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル銅合金の少なくとも１種類からなる材質で製作された請求項４または請求項５に記載の水素貯蔵装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の水素貯蔵装置を備えた燃料電池装置。          
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素貯蔵装置の容器構造に関するものであって、特に軽量で微細なナノ炭素材料を水素吸蔵物質として用いる場合に好適な容器構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池などの新しいエネルギー供給装置を実用化し普及させようという試みが活発になってきた。中でも固体高分子型燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって電力を取り出すものであり、排出ガスが水蒸気のみであるという極めて環境負荷の小さい優れた発電方法である。
【０００３】
燃料電池において燃料として用いられる水素は大気中にはほとんど存在せず、また気体であるが故に希薄で低密度であり、さらに分子サイズが小さいので漏洩しやすく爆発の危険性を伴う。したがって燃料電池システムを各種機器やオンサイト発電装置、燃料電池自動車等へ搭載して普及させられるかどうかは、燃料である水素をいかにして高密度かつ安全に貯蔵・供給できるかにかかっている。
【０００４】
水素ガスの貯蔵方法としては、気体状で貯蔵する高圧水素ガスボンベと、液体状で貯蔵する液化水素ボンベが実用化されており、また水素吸蔵合金を用いる貯蔵方法が長年にわたり研究されている。一方、ナノ炭素材料の一種であるカーボンナノチューブが、水素吸蔵合金を遥かにしのぐ５〜１０重量％もの水素を吸蔵するという報告もなされており、微細な粉末状の炭素系材料を水素吸蔵物質として用いる方法の実用化が大きく期待されている。
【０００５】
水素吸蔵合金やナノ炭素材料を水素吸蔵物質として用いる水素貯蔵装置は、これらの水素吸蔵物質を中空の容器に充填し、水素ガスの注入／放出口の他、必要に応じて冷却機構や加熱機構等を取り付けたものである。特許文献１には炭素系水素吸蔵物質を容器に収めた水素貯蔵装置の例が記載されている。
【０００６】
水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵装置に水素ガスを吸蔵させるには、外部からある程度の圧力で水素ガスを注入すればよく、逆に水素ガスを取り出すには外部の圧力を下げれば水素ガスが自然に脱離して放出される。このとき吸蔵速度や脱離速度を向上させるために、必要に応じて水素吸蔵物質を冷却または加熱することが行われる。
【特許文献１】特開２００２−２３７３１８号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素吸蔵物質としてのナノ炭素材料は、ナノメートルサイズの微細な形態を有するため比表面積が大きく、大量の水素を吸蔵できるという特徴がある。さらに従来の水素吸蔵合金と比較して比重が小さく、ナノ炭素材料を水素吸蔵物質として用いれば軽量で大容量の水素貯蔵装置を実現することができる。しかしながら比重が小さくかつ微細であるというナノ炭素材料に特有の性質は、水素を放出する際に、自身が放出した水素ガスの圧力によって容器内で飛散してしまうという、従来の水素吸蔵合金では考えられなかった新たな問題を引き起こした。容器内で飛散したナノ炭素材料の一部は水素ガスと共にガス放出口から流出して燃料電池セル等の外部機器に到達し、これらの外部機器に損傷を与える恐れがあるほか、水素吸蔵物質が失われることによって水素貯蔵容量が減少するという問題を生じる。
一般にこのような問題を解決する手段としては、ガス流路にフィルターを挿入することが
行われる。図５は従来の水素貯蔵装置の構成例である。ナノ炭素材料３が充填された容器７にはフィルター９が取り付けられ、水素ガス放出時に水素ガス注入／放出口２からナノ炭素材料が外部に流出しないよう、フィルター９で濾過される。
従来の水素貯蔵装置では、ナノ炭素材料を濾別するために、フィルター９としてＨＥＰＡフィルター等の非常にメッシュの細かいものを用いる必要があり、圧損が増大して水素ガス供給速度が低下してしまうという問題がある。またフィルターが目詰まりを起こすため定期的な保守が必須であり、運転コストが増大する要因ともなる。水素吸蔵能の大きいフッ素化ナノ炭素材料を水素吸蔵物質として用いた場合は、遊離したフッ素ガスまたはフッ化水素ガスによってフィルター素材が侵食され、フィルター能力が低下し、長期間安定した性能を維持できないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するため本発明は、
「ナノ炭素材料を容器に充填した水素貯蔵装置であって、前記容器は、開口部を有するＮ枚の仕切板によってＮ＋１室の小室に仕切られており、前記仕切板の開口部において相互に連絡する前記小室が、水素ガス放出時において屈曲した流路を形成することを特徴とする水素貯蔵装置（請求項１）」
および、
「前記仕切板は、水素ガス放出時における重力方向に対して前記開口部が最下部に位置するように傾斜して取り付けられ、かつ前記ナノ炭素材料は、水素ガス放出時における重力方向に対して最下部の小室に充填されている請求項１に記載の水素貯蔵装置（請求項２）」
および、
「前記容器が振動発生装置を備えるものである請求項２に記載の水素貯蔵装置（請求項３）」
を提供する。
【０００９】
また本発明は優れた水素吸蔵能を有する水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵装置として、
「前記ナノ炭素材料がフッ素化ナノ炭素材料である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の水素貯蔵装置（請求項４）」
および、
「前記フッ素化ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項４に記載の水素貯蔵装置（請求項５）」
を提供する。
【００１０】
また本発明は優れた水素吸蔵能を有し、かつ長期間安定した性能を維持できる水素貯蔵装置として、
「前記容器および仕切板がアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル銅合金の少なくとも１種類からなる材質で製作された請求項４または請求項５に記載の水素貯蔵装置（請求項６）」
を提供する。
【００１１】
また本発明は上記の水素貯蔵装置を備え、小型軽量で長期間安定した性能を維持できる燃料電池装置として、
「請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の水素貯蔵装置を備えた燃料電池装置（請求項７）」
を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る水素貯蔵装置は、水素吸蔵物質としてナノ炭素材料を用いるものであるた
め、小型軽量でありながら大量の水素を貯蔵することができる。
【００１３】
本発明に係る水素貯蔵装置は、仕切板によって区分された小室が水素ガス放出時において屈曲した流路を構成するように配置されているため、水素ガス放出時に容器内で飛散したナノ炭素材料の大部分は仕切板に衝突して落下し、水素ガス放出口にまで拡散して貯蔵装置外部に流出することを抑制できる。したがって従来の水素貯蔵装置のようにフィルターをガス放出口に付加する必要がなく、フィルターの透過抵抗による水素ガスの流量低下が起こらないため、十分な水素ガス供給速度を得ることができる。さらにフィルターの目詰まりや侵食が起こりえないため、定期的な保守が不要であり、運転コストが低減されるという効果を有する。
【００１４】
前記仕切板を水素ガス放出時における重力方向に対して開口部が最下部になるように傾斜して取り付け、さらにナノ炭素材料を最下部の小室に充填しておけば、仕切板に衝突して落下したナノ炭素材料は重力によって自動的に開口部に達し、小室を順次経由して最終的に最下部の小室すなわちナノ炭素材料が当初充填されていた部分に還流される。このためナノ炭素材料の大部分は常時最下部の小室に存在することになり、水素ガス放出口から流出する確率をさらに低減することができる。このとき容器全体を振動発生装置によって振動させれば、ナノ炭素材料を迅速に容器下部へ還流させることができる。
【００１５】
ナノ炭素材料としてフッ素化ナノ炭素材料を用いた場合には上記の効果に加えて水素貯蔵量の向上が期待でき、特にフッ素化アモルファスナノ炭素材料を用いた場合にはさらに大きな水素貯蔵量が期待できる。フッ素化ナノ炭素材料を用いる場合において、容器および仕切板をアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル銅合金のいずれかの材質で製作すれば、フッ素化ナノ炭素材料から遊離したフッ素またはフッ化水素によって容器が侵食されることがなく、長期間安定した性能を維持できる。
【００１６】
本発明に係る水素貯蔵装置を備えた燃料電池装置は全体として小型・軽量化が可能であるほか、低運転コストで十分かつ安定した水素供給速度が得られるため、効率の高い電力源として広い分野に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る水素貯蔵装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る水素貯蔵装置の第１の実施形態を示す概略図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は断面斜視図である。円筒形の容器１の最上部には、水素ガスを注入および放出するための水素ガス注入／放出口２が設けられる。容器１には内壁から張り出す形で５枚（Ｎ＝５）の仕切板Ｂ１〜Ｂ５が取り付けられ、６室の小室Ｃ１〜Ｃ６に仕切られる。なお第１の実施の形態ではＮ＝５とした例を示すが、本発明における仕切板の数Ｎに特に上限はなく、数が多いほど高い効果が得られることは言うまでもない。
【００１９】
各仕切板の一端には開口部Ａ１〜Ａ５があり、各小室Ｃ１〜Ｃ６は開口部Ａ１〜Ａ５を介して連絡している。開口部は大きい方がナノ炭素材料３から放出された水素ガスの流通抵抗が小さくなるが、飛散したナノ炭素材料の拡散を抑制する効果も減少するため、目標とする性能に応じて適当に選択すればよい。
【００２０】
最下部の小室Ｃ１には水素吸蔵物質としてナノ炭素材料３が充填される。ナノ炭素材料３としては、フラーレン、金属内包フラーレン、ナノ炭素粒子、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、非晶質カーボンナノチューブ、これらのナノ炭素材料に水素吸蔵能を向上させる官能基を結合したもの等、水素吸蔵能を有する公知のナノ炭素材料を特に制限無く用いることができる。ナノ炭素材料の中でも特に水素吸蔵物質として好
適なのはフッ素化ナノ炭素材料であり、全体が非晶質構造であるフッ素化アモルファスナノ炭素繊維であればなお好ましい。フッ素化ナノ炭素材料は、炭素繊維を構成する炭素原子に電気陰性度が高いフッ素が化学結合したものであって、電子密度の偏りによって大量の水素を吸蔵することができる上、極めて比重が小さいという特徴がある。またフッ素化ナノ炭素材料の一種であるフッ素化アモルファスナノ炭素繊維は、繊維全体が非晶質構造であるため構造欠陥密度が高く、非常に大量の水素を吸蔵しうるものである。
【００２１】
水素吸蔵物質としてフッ素化ナノ炭素材料を用いた場合には、容器１および仕切板Ｂ１〜Ｂ５は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル銅合金の少なくとも一種類からなる材質で製作することが望ましい。これらの材質はフッ素化ナノ炭素材料から遊離する恐れのあるフッ素およびフッ化水素に対して耐久性が高く、腐食による性能低下を抑制できるためである。
【００２２】
以上の構造を備えた水素貯蔵装置に、水素ガス注入／放出口２を通して高圧の水素ガスを注入してナノ炭素材料３に水素ガスを吸蔵させた後、水素ガス注入／放出口２を密閉することによって水素を貯蔵する。貯蔵した水素を利用する際は、水素ガス注入／放出口２に燃料電池セル等の外部機器を接続し、必要に応じて減圧弁により圧力を調整しながら水素を放出する。水素ガスの放出によって容器１内の圧力が下がると、ナノ炭素材料３から水素ガスが自動的に脱離してくるが、適当な加熱手段を用いてナノ炭素材料３を緩やかに加熱すれば、水素ガスの脱離速度が上昇し、外部への水素ガス供給速度を向上させることができる。
水素貯蔵装置から水素ガスを放出する際には、ナノ炭素材料から脱離した水素ガスによって容器１の内部に急激な圧力変化が生じ、乱流が発生する。容器１の下部にあるナノ炭素材料３は比重が小さく、微細な粉末状の形態を有するため、その一部はこの乱流によって容易に飛散する。飛散したナノ炭素材料は水素ガス流に乗って容器１内の下部から上部へと拡散を始める。このとき容器１の内部には仕切板Ｂ１〜Ｂ５が取り付けられているため、飛散したナノ炭素材料の大部分はまず仕切板Ｂ１に衝突して落下し、水素ガス流から排除される。ここで落下しなかったナノ炭素材料は、水素ガス流に乗って、開口部で相互に連絡した小室Ｃ２〜Ｃ６に、図１（ｂ）に矢印で示すごとく順次流入する。このとき水素ガス流路が屈曲するように仕切板と開口部が配置されているため、開口部Ａ１から流入したナノ炭素材料の大部分は仕切板Ｂ２に衝突して落下し、以下同様の効果によって各小室毎にナノ炭素材料が水素ガス流から排除される。その結果、最終的にナノ炭素材料が水素ガス注入／放出口２に到達する確率は極めて小さなものとなる。
【００２３】
図２は本発明に係る水素貯蔵装置の第２の実施形態を示す概略図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は断面斜視図である。図２は水素ガス放出時の配置を示し、重力は図の下側に向かって働くものとする。容器１、水素ガス注入／放出口２およびナノ炭素材料３については図１の例と同様であるので説明を省略する。第２の実施形態では、開口部Ａ１〜Ａ５が最も下側に位置するように、仕切板Ｂ１〜Ｂ５は傾斜して取り付けられる。
【００２４】
第２の実施形態に係る水素貯蔵装置において、水素ガスを放出する際に飛散したナノ炭素材料が仕切板によって水素ガス流から排除されるのは第１の実施形態と同様であるが、各仕切板Ｂ１〜Ｂ５は開口部Ａ１〜Ａ５が最下部となるように傾斜して取り付けられているため、仕切板上に落下したナノ炭素材料は重力によって開口部に向かって移動し、最終的に最下部の小室Ｃ１に戻ることになる。その結果、ナノ炭素材料の大部分は常時最下部の小室に存在することになり、水素ガス放出口から流出する確率をさらに低減することができる。
【００２５】
ナノ炭素材料の移動は重力により自動的に行われるが、容器１に振動が加わることによって加速される。仕切板の傾斜が急角度であるほど飛散したナノ炭素材料の回収率は高く
なるが、空間の利用率は下がるので、水素貯蔵装置全体としての効率を考慮して傾斜を設定すればよい。
【００２６】
図３は本発明に係る水素貯蔵装置の第３の実施形態を示す概略図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は断面斜視図である。図３は水素ガス放出時の配置を示し、重力は図の下側に向かって働くものとする。容器１、水素ガス注入／放出口２およびナノ炭素材料３については第１および第２の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２７】
第３の実施形態では容器内に軸対称の仕切板が設けられる。円筒形の容器１内には仕切板Ｄ１〜Ｄ４が取り付けられ、Ｅ１〜Ｅ５の計５室の小室に仕切られる。水素吸蔵物質であるナノ炭素材料３は最下部の小室Ｅ１に充填される。図１の例と同様に仕切板の枚数（Ｎ＝４）はあくまで例示であって、実際には枚数が多いほど有効である。
【００２８】
仕切板Ｄ１およびＤ３は下凸の皿状をなし、中央に開口部Ｆ１およびＦ３を有する。また仕切板Ｄ２およびＤ４は上凸の傘状をなし、容器１の内壁との間に開口部Ｆ２およびＦ４を有するように取り付けられる。このとき開口部Ｆ２またはＦ４を仕切板Ｄ２またはＤ４の全周にわたって設ける場合には、仕切板Ｄ２またはＤ４を容器１に直接固定することができないので、水素ガス流を阻害しない程度の適度の大きさを持つ柱状部材等によって仕切板Ｄ１または仕切板Ｄ３に固定すれば良い。また開口部Ｆ２またはＦ４を仕切板Ｄ２またはＤ４の全周にわたって設けない場合には、その閉口部において仕切板Ｄ２またはＤ４を容器１内壁に固定すれば良い。
【００２９】
ナノ炭素材料３から放出された水素ガスは開口部Ｆ１〜Ｆ４において相互に連絡する小室Ｅ１〜Ｅ５を順次通過し、水素ガス注入／放出口２に至る。水素ガス放出時に発生する乱流によって飛散したナノ炭素材料の大部分は、仕切板Ｄ１に衝突して最下部の小室Ｅ１に還流する。一方、一部のナノ炭素材料は開口部Ｆ１を通過して上部に拡散するが、図３（ｂ）に矢印で示すようにガス流路が屈曲しているため、開口部Ｆ１を通過したナノ炭素材料の大部分は仕切板Ｄ２に衝突して落下し、水素ガス流から排除される。同様に開口部Ｆ２を通過したナノ炭素材料の大部分は仕切板Ｄ３で排除され、最終的に水素ガス注入／放出口２に至る確率は非常に小さいものとなる。
【００３０】
各仕切板で水素ガス流から排除されたナノ炭素材料は、下部に位置する仕切板上に落下するが、各仕切板は重力方向に対して最下部に開口部を有するように配置されているため、仕切板上に落下したナノ炭素材料は自動的に開口部を通って順次下部の小室に移動し、最終的に最下部の小室Ｅ１に還流することになる。
【００３１】
第３の実施形態では容器１の最下部に振動発生装置４が設けられており、これを適当な周波数および振幅で振動させることによって仕切板Ｄ１〜Ｄ４に振動を伝達し、小室Ｅ２〜Ｅ４にあるナノ炭素材料を速やかにＥ１まで移動させることができる。
【００３２】
以上、本発明に係る水素貯蔵装置の実施形態を３つの例により説明したが、本発明の実施形態はこれらの例に限定されるものではなく、要求される水素貯蔵容量や水素供給速度、充填するナノ炭素材料の特性に合わせて、仕切板や開口部の形状を変更し、または仕切板の枚数を増減して実施することが可能である。
【００３３】
次に本発明に係る燃料電池装置の実施形態を説明する。
【００３４】
図４は、本発明に係る燃料電池装置の一例を示す概略図であって、固体高分子型燃料電池に適用した例を示すものである。
【００３５】
水素貯蔵装置５の水素ガス注入／放出口２には圧力計１０が取り付けられ、容器１内の水素ガスの圧力を計測することができる。水素貯蔵装置５に水素を貯蔵する際は、バルブ１２およびバルブ１３を開きバルブ１４を閉じた状態で、水素ステーション等の外部水素源からの高圧水素ガスを、配管１１を通して水素貯蔵装置５に注入する。圧力計１０が適当な圧力に達したところで各バルブを閉じれば水素貯蔵装置５に水素が貯蔵される。
【００３６】
貯蔵された水素を燃料として電力を取り出す際は、バルブ１３およびバルブ１４を開き、圧力調整器１５により圧力を調整しながら水素ガスを放出させる。水素ガスは加湿器１７を通して燃料電池セル１９の燃料極２０に供給され、一方、空気極２１には空気供給装置１８から加湿器１６を通して空気が供給される。燃料電池セル内では電気化学反応によって起電力が生じ、出力端子２２から電流を取り出すことができる。
【００３７】
ここでは固体高分子型燃料電池を例に説明したが、本発明に係る燃料電池装置はアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、または固体酸化物型であっても良く、本発明に係る水素貯蔵装置を備えることによって、同一の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る水素貯蔵装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る水素貯蔵装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る水素貯蔵装置の一例を示す概略図である。
【図４】本発明に係る燃料電池装置の一例を示す概略図である。
【図５】従来の水素貯蔵装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：容器、２：水素ガス注入／放出口、３：ナノ炭素材料、４：振動発生装置、５：水素貯蔵装置、７：容器、９：フィルター、１０：圧力計、１１：配管、１２〜１４：バルブ、１５：圧力調整器、１６：加湿器、１７：加湿器、１８：空気供給装置、１９：燃料電池セル、２０：燃料極、２１：空気極、２２：出力端子、Ａ１〜Ａ５：開口部、Ｂ１〜Ｂ５：仕切板、Ｃ１〜Ｃ６：小室、Ｄ１〜Ｄ４：仕切板、Ｅ１〜Ｅ５：小室、Ｆ１〜Ｆ４：開口部                                            
【図１】
2005147280.tif 000003
【図２】
2005147280.tif 000004
【図３】
2005147280.tif 000005
【図４】
2005147280.tif 000006
【図５】
2005147280.tif 000007